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1.背景描述

步進電機是將繞組上所加脈沖電壓通過電磁耦合原理轉化為轉子上的機械角位移或線位移的一種裝置。

從步進電機的本體上來講，主要圍繞步進電機的靜態性能來進行分析，其主要關注步進電機的結構設計、齒槽結構、主要尺寸以及生產成本。結合控制理論之后，會針對步進電機的動態性能進行分析，其在連續運行的過程中，存在溫升過高、噪聲過大等特點。

2.技術難點

考慮到步進電機的磁路是軸向磁路，故步進電機的CAE分析，必須采用3D靜態和3D瞬態分析。其中，3D靜態分析主要是針對定位力矩、矩角特性、靜力矩和繞組電流的關系、繞組電感和繞組電流的關系、繞組電感和轉子位置的關系等開展分析；3D瞬態分析,主要是針對動態起動過程，最大起動頻率等開展分析。

考慮到步進電機軸向磁通和齒數較多的情況，在CAE分析方面，存在以下幾個難點：

網格量大，收斂困難

目前一些電磁軟件在分析步進電機中都遇到困難，原因在于步進電機的結構，具有眾多小齒和曲面，會極大增加剖分的網格量；同時在進行瞬態運動分析時，氣隙重新劃分的網格量也非常巨大。

計算速度

步進電機的有限元仿真模型必須采用3D模型，故分析速度是必須考慮的因素。

此外，步進電機的電磁分析，受到控制方式的影響，目前主流的控制方式有以下幾種，CAE仿真分析中，必須能夠模擬這樣的電流激勵方式；同時脈沖激勵時間非常短，對時間步長的設置要求也很高。

3.案例介紹

針對某實際步進電機模型，進行了靜態分析和瞬態分析。其中瞬態分析可以直接分析靜態量。該模型采用了兩段式的結構，即包含兩個磁鋼，主要目的是為了提高輸出轉矩，如下圖所示：

瞬態分析主要針對空載情況，設置一個脈沖周期，電流激勵如下圖所示。此外，MagNet軟件可以自動針對模型進行網格自適應劃分，考慮到混合式步進電動機磁路高度非線性以及定轉子雙開槽的特點，為了提高仿真分析的精度，有必要對氣隙處設置最大單元網格尺寸，本案例中將氣隙網格尺寸設置為2mm。

瞬態分析的結果如下所示，通過CAE分析，可以得到混合式步進電機在不同的激勵下的轉矩，磁密云圖以及過飽和區域。該分析結果可以為步進電機的改進提供優化方向。

4.總結

借助MagNet軟件強大的網格自適應剖分、良好的收斂性、與控制系統仿真軟件的無縫集成等技術優勢，建立混合式步進電機的仿真模型并進行分析和計算，得到了混合式步進電機的靜態特性和動態特性，給出了單四拍工作方式下的磁場分布圖、靜轉矩、矩角特性曲線、繞組電感和轉子位置的關系等靜態特性數據，以及低頻脈沖下的步進電機啟動過程的動態特性數據，為混合式步進電機的優化，提供了理論依據。